王永龍，陸云飛，王振鋒，孫玉寧,4，劉 春，宋維賓

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 4.煤炭安全生產河南省協同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

我國煤層地質條件復雜多變，煤層氣開發(fā)利用基礎研究薄弱，松軟破碎煤巖體鉆探、壓裂等技術裝備水平較低，單一地面井煤層氣開采方式不能適應復雜地質條件，井壁失穩(wěn)、煤層損害、完井效果差、護孔篩管下放難等難題一直困擾著煤層氣的高效勘探開發(fā)[1-3]。因此，煤層氣開采將長期以井下抽采與地面井抽采上下聯合的開采方式并存。對于強度較低的松軟煤層，受地應力、瓦斯壓力、構造應力等因素影響，鉆孔變形量大、孔壁破碎嚴重[4]，鉆孔排渣空間收縮，鉆屑運移阻力增大，鉆屑易發(fā)生堆積、堵塞并致使鉆孔施工被迫終止[5-6]。針對松軟煤層鉆進難題，科研及工程技術人員做了大量的研究工作，例如空氣螺桿馬達軟煤定向成孔技術[7-8]、空氣泡沫鉆進技術[9]、高速螺旋鉆進工藝[10]、渦流松透排渣鉆進技術[11]、雙動力排渣鉆進技術[12-13]、中風壓鉆進技術[14]、泡沫混凝土噴漿護壁鉆進技術[15]、懸浮液排渣鉆進工藝[16]等，對于提高軟煤層鉆進深度、鉆進效率都有一定的效果。

保護排渣空間、預防鉆孔堵塞是解決松軟煤層鉆進難題的關鍵技術問題[17]。實踐表明，保壓鉆進、固壁液等護壁技術應用于近水平瓦斯抽采鉆孔，實施難度大，護孔效果差;現有的套管鉆機配套設備龐大，且套管鉆具孔內鉆進阻力大，鉆進工藝復雜，限制了其應用效果。著力突破限制護孔鉆進工藝應用效果的關鍵技術問題，研究與常規(guī)液壓鉆機配套的護孔鉆具是解決松軟煤層鉆進難題的有效途徑。

筆者提出“護孔卸壓”鉆進新觀點，通過建立護孔鉆進阻力力學模型，分析常規(guī)套管鉆具應用于軟煤層鉆進過程中存在的缺陷，探討“護孔卸壓”鉆進工藝理念實現卸壓、降阻的力學機制，對于克服常規(guī)套管鉆具技術缺陷、開啟護孔鉆具在軟煤層鉆進中的應用前景具有重要的理論及工程應用價值。

1 套管鉆具鉆進摩阻力學模型

1.1 套管鉆具旋轉阻力矩分析

1.1.1套管鉆具旋轉阻力矩求解

鉆孔收縮示意圖如圖1所示，軟煤鉆進過程中，鉆孔流變效應顯現，鉆孔變形量大[18]，套管鉆具外管直徑較大，在鉆孔收縮較為嚴重區(qū)域，套管鉆具外管與孔壁之間形成一定大小的相互作用力。

圖1 鉆孔收縮示意

基于套管鉆具結構，考慮軟弱地層變形收縮，假設鉆孔孔壁與套管鉆具完全接觸、鉆桿與鉆孔中心線同軸，建立套管鉆具旋轉阻力矩力學模型，如圖2所示。

圖2 套管鉆具旋轉阻力矩力學模型

結合圖2，鉆桿旋轉阻力著重考慮以下2方面:

(1)套管鉆具自重引起的旋轉阻力。套管鉆具在自重作用下，在鉆孔內以觸底狀態(tài)為主，設鉆桿與鉆孔底部接觸均勻，且鉆孔未發(fā)生彎曲，則套管鉆具自重引起的旋轉阻力為

dmf1=Mglf1cosθ

(1)

式中，M為單位長度套管鉆具質量，kg/m;l為鉆孔深度，m;g為重力加速度，m/s2;f1為套管鉆具與鉆孔表面的摩擦因數;θ為鉆孔傾角，(°)。

當鉆桿有旋轉趨勢時，沿鉆桿外表面切向形成阻止鉆桿旋轉的摩擦阻力dmf1，相對于鉆桿中心軸線，形成的旋轉阻力扭矩TN求解方程為

(2)

式中，D為套管鉆具直徑，m。

(2)鉆孔孔壁圍壓引起的旋轉阻力。設同一鉆孔截面上套管鉆具周圍受均勻壓力為pi，孔內鉆桿長度為l時，鉆桿有旋轉趨勢時，沿鉆桿外表面切向形成阻止鉆桿旋轉的摩擦阻力，鉆桿表面形成的摩擦阻力F計算[19]:

dF=f1piπDdl

(3)

因鉆孔圍壓pi作用，套管鉆具形成的旋轉阻力矩TC為

dTC=D/2dF

(4)

將式(3)代入式(4)可得

(5)

積分可得鉆孔圍壓引起的旋轉阻力矩為

(6)

基于式(2),(6)套管鉆具在鉆孔內存形成的旋轉阻力矩TA求解方程為

(7)

1.1.2套管鉆具旋轉阻力矩定性分析

(1)鉆孔深度對TA的影響規(guī)律。設套管鉆具外徑D=0.105 m，套管鉆具與鉆孔表面的摩擦因數f1=0.3，鉆孔圍壓pi=30 kPa，鉆孔傾角θ=5°，套管鉆具質量M=15 kg/m，將上述參數代入式(7)可得

TA=158.09l

(8)

式(8)擬合套管鉆具旋轉阻力矩TA與鉆孔深度l之間的關系如圖3所示。

圖3 套管鉆具旋轉阻力矩TA與鉆孔長度l關系曲線

基于圖3，應用常規(guī)套管鉆具鉆進時，伴隨鉆孔深度的增長，鉆機需要克服鉆桿旋轉阻力形成的扭矩越大，例如，當應用ZDY6000鉆機時，當TA達到鉆機的最大扭矩6 000 N·m時，根據式(8)，可求得鉆孔深度僅能達到38 m，假設應用更大功率的ZDY10000鉆機，鉆孔深度僅能提高到63.3 m?？梢?，應用常規(guī)套管鉆具鉆進，在上述條件下，即使應用更大功率的鉆機，鉆孔深度提高非常有限，因此，盲目提高鉆機動力并非是解決常規(guī)套管鉆桿應用效果的有效手段。

(2)鉆孔孔壁圍壓pi對TA的影響規(guī)律。在上述基本參數條件下，設鉆孔設計深度為80 m，鉆孔孔壁圍壓pi分別為p1=10 kPa，p2=20 kPa，p3=30 kPa，p4=40 kPa，代入式(7)可得

(9)

式(9)擬合不同鉆孔圍壓pi條件下TA與鉆孔傾角θ之間的關系如圖4所示。

圖4 旋轉阻力扭矩TA與鉆孔傾角θ關系曲線

基于圖4，進行如下分析:① 相同鉆孔圍壓pi條件下，伴隨鉆孔傾角絕對值的增大，相應鉆桿旋轉阻力扭矩TA略有減小。對于絕大多數本煤層抽采鉆孔，一般鉆孔傾角θ為-π/4～π/4，鉆孔傾角θ的變化對鉆桿旋轉阻力扭矩TA的影響并不明顯。② 伴隨鉆孔圍壓pi的增大，相同鉆孔傾角條件下，相應套管鉆具旋轉阻力扭矩TA呈增大趨勢。因此，對于軟煤層鉆進，煤體強度越低，鉆孔收縮越為嚴重，鉆孔孔壁與套管鉆具之間的圍壓pi越大，鉆桿旋轉阻力扭矩TA將會更大，鉆孔將更為困難。③ 該施工條件下，當施工水平孔時(鉆孔傾角θ=0°)，套管鉆具旋轉阻力扭矩TA達到極值，如圖4所示，對于不同鉆孔圍壓pi條件下，相應套管鉆具旋轉阻力扭矩TA分別為4 339，8 494，12 648，16 802 N·m。當p1=10 kPa，p2=20 kPa時，應用ZDY10000鉆機時，鉆孔深度基本能夠達到設計深度;當p1=30 kPa，p2=40 kPa時，相應最小套管鉆具旋轉阻力扭矩TA已達到12 462 N·m，目前，對于井下常規(guī)液壓坑道鉆機，鉆機最大扭矩很少有超過12 000 N·m，因此，該條件下，現有的鉆機將不能滿足鉆孔設計深度的要求。

1.2 套管鉆具軸向鉆進阻力分析

1.2.1套管鉆具軸向阻力求解

應用套管鉆具在軟煤層中鉆進，受鉆孔孔壁圍壓pi作用，鉆桿在推進、退鉆時，鉆桿表面將形成阻止鉆桿移動的阻力，筆者稱之為“軸向鉆進阻力daf”。參考王永龍等[17]關于瓦斯抽采鉆孔堵塞段“退鉆阻力”的分析，結合圖1，套管鉆具沿軸向鉆進阻力daf的求解方法如下:

(1)參考式(1)，套管鉆具重力作用與鉆孔底部的軸向摩擦阻力

daf1=Mglf1cosθ

(10)

(2)鉆孔孔壁圍壓pi作用在套管鉆具表面形成的軸向摩擦阻力:

daf2=f1piπDl

(11)

結合式(10)，(11)，套管鉆具軸向阻力求解方程為

daf=Mglf1cosθ+f1piπDl

(12)

1.2.2套管鉆具軸向阻力定性分析

基本參數與套管鉆具旋轉阻力扭矩案例1設置相同，設鉆孔孔壁圍壓pi分別為p1=10 kPa,p2=20 kPa,p3=30 kPa,p4=40 kPa，將上述參數代入式(12)可得

(13)

式(13)擬合套管鉆具軸向阻力daf與鉆孔深度l之間的關系如圖5所示。

圖5 軸向阻力daf與鉆孔長度l關系曲線

根據圖5，進行如下分析:① 伴隨鉆孔深度l向煤體深部延伸，相應套管鉆具軸向鉆進阻力daf呈增大趨勢。② 伴隨鉆孔圍壓pi的增大，施工相同鉆孔深度，相應套管鉆具軸向鉆進阻力daf呈增大趨勢。例如，當鉆孔設計深度為80 m，當p1=10 kPa時，套管鉆具軸向阻力daf為83 kN，當應用ZDY4000S鉆機時，鉆機最大起拔力Fc=150 kN，鉆桿能夠正常給進和退鉆，而當圍壓增大到p2=20 kPa時，daf增長到162 kN，該條件下，應用該鉆機已不能完成設計深度。

2 “護孔卸壓”新觀點及力學機制

2.1 “護孔卸壓”鉆進新觀點

通過常規(guī)套管鉆具旋轉阻力和軸向鉆進阻力分析，受煤層地質條件影響，常用的套管鉆具應用于軟煤層鉆進，鉆桿旋轉阻力和軸向鉆進阻力較高，現有的鉆機不能滿足要求。而增大鉆機動力，會造成鉆機成本的成倍增長，同時鉆機外形尺寸增大，也為鉆機的放置、移動帶來了諸多不便。

解決護孔鉆進工藝的瓶頸問題應從降低鉆進阻力著手，通過大量的現場觀測，提出“護孔卸壓”原理鉆進工藝方法，該原理的核心思想為降低護孔鉆桿的推進及旋轉阻力，具體說明如下:

(1)減小護孔鉆桿與鉆孔壁的接觸面積。常規(guī)的套管鉆具為全封閉結構，因此，通過在套管鉆具的外管設置孔或間隙結構減小護孔鉆桿與鉆孔壁的接觸面積，實現降低鉆桿鉆進阻力的目的。

(2)鉆桿表面的孔隙結構具有“卸壓”功能。鉆桿表面的孔或間隙結構，使收縮的鉆孔壁與鉆桿處于不連續(xù)接觸狀態(tài)，鉆桿表面的孔隙結構能夠釋放因孔壁流變作用對鉆具產生的壓力能。

2.2 “護孔卸壓”鉆進力學模型

2.2.1護孔面積比Sk

設開有卸壓孔的外套管展開后為帶孔的矩形結構，如圖6所示，設未開孔時，鉆桿表面積為S，假設在鉆桿表面開設n個孔，且開孔的面積分別為S1，S2，S3，…，Sn。

圖6 鉆桿表面展開模型

為了衡量鉆桿表面開孔的總面積大小，提出護孔面積比Sk的概念，即為開孔后鉆桿剩余的總面積與鉆桿未開孔時總面積的比值，其數學表達式為

(14)

2.2.2旋轉阻力定性分析

(1)求解方程。假設鉆桿表面增加孔或間隙結構后，鉆桿單位長度質量為MSk。參考式(7)，引入式(14)，“護孔卸壓”原理護孔鉆桿旋轉阻力矩TAS求解方程為

(15)

(2)定性分析。設Sk為0.4，0.6，0.8，其他參數與分析常規(guī)套管鉆具旋轉阻力的參數設置相同。將參數代入式(15)可得

(16)

Sk=1時為常規(guī)套管鉆具情況，根據式(8)，(16)擬合鉆桿旋轉阻力矩與鉆孔深度l之間的關系如圖7所示。

圖7 旋轉阻力扭矩TAS與鉆孔長度l關系曲線

圖8 旋轉阻力扭矩TAS與護孔面積比Sk對比

基于圖7，8，進行如下分析:① 伴隨護孔面積比Sk減小，相同鉆孔長度l，鉆桿旋轉阻力矩TAS呈減小趨勢，表明“護孔卸壓”原理護孔鉆桿的設計方法能夠有效果降低鉆桿旋轉阻力。例如，當鉆孔設計深度為80 m，如圖8所示，當Sk=0.4時，旋轉阻力扭矩TAS=5 059 N·m，當Sk=1時，旋轉阻力扭矩TAS=12 647 N·m，因此，該條件下，“護孔卸壓”原理護孔鉆桿旋轉阻力矩TAS降低幅度為60%。② 合理調整護孔面積比Sk能夠大幅度提高鉆孔施工長度。例如，當Sk=0.4時，應用ZDY6000鉆機施工，其最大扭矩6 000 N·m，根據式(16)，可求得鉆孔深度能達到96.4 m，而該條件下應用常規(guī)套管鉆具鉆進鉆孔深度僅能達到38 m，理論上，“護孔卸壓”原理護孔鉆桿鉆進深度是常規(guī)套管鉆具的2.54倍。

2.2.3軸向鉆進阻力定性分析

(1)求解方程。參考常規(guī)護孔鉆桿旋轉阻力求解方法，引入護孔面積比Sk，參考式(12)，“護孔卸壓”原理護孔鉆桿軸向阻力dafS求解方程為

dafS=Mglf1cosθSk+f1piπDlSk

(17)

(2)定性分析。同樣設Sk為0.4，0.6，0.8，鉆孔孔壁圍壓pi為30 kPa，其它參數與分析常規(guī)套管鉆具軸向阻力的參數設置相同，代入式(17)可得

(18)

Sk=1時為常規(guī)套管鉆具情況，根據式(13)，(18)擬合護孔鉆桿軸向阻力與鉆孔深度l之間的關系如圖9所示。

圖9 軸向阻力dafS與鉆孔長度l關系曲線

軸向阻力dafS與護孔面積比Sk對比如圖10所示，伴隨護孔面積比Sk減小，相同鉆孔長度l，鉆桿軸向鉆進阻力dafS呈減小趨勢，表明當鉆桿表面設置孔隙結構時能夠有效降低鉆桿的軸向阻力。例如，當鉆孔設計深度為80 m，當Sk=0.4，pi=30 kPa時，“護孔卸壓”原理護孔鉆桿軸向阻力dafS為96 kN，當應用ZDY4000S鉆機時，鉆機最大起拔力Fc=150 kN，當使用“護孔卸壓”原理護孔鉆桿進行施工時，盡管因鉆孔收縮在鉆桿周邊產生的圍壓很大，鉆桿依然能夠正常給進和退鉆，可保證鉆孔施工能夠達到設計深度;當應用常規(guī)套管具鉆進時，即Sk=1，該條件下常規(guī)套管鉆具軸向阻力daf達到了241 kN，ZDY4000S鉆機動力嚴重不足，不可能完成設計深度。“護孔卸壓”原理護孔鉆桿軸向鉆進阻力dafS降低幅度為60.2%。

圖10 軸向阻力dafS與護孔面積比Sk對比

3 “護孔卸壓”原理數值計算

3.1 計算模型及材料參數

基于彈塑性“支護-圍巖”體系理論，采用有限元方法，應用軟件Phase2對鉆孔開挖進行數值計算。基于“護孔卸壓”原理，僅考慮鉆孔徑向平面，假設在鉆孔壁不同位置給予一定大小的內壓，可以近似模擬因鉆孔收縮在孔壁與鉆桿體之間產生的壓力，從而間接驗證“護孔卸壓”原理的科學性。

設護孔鉆桿外鉆桿直徑為0.105 m，煤層埋深為500 m。網格劃分類型為三節(jié)點的三角形網格，此次數值模擬擬針對較為松軟煤層，因此，對于煤體力學參數的設定，參照姚向榮[20]、申衛(wèi)兵[21]、王永龍[18]等對煤體力學參數的研究和選擇，基于Hoek-Brown準則的煤體材料力學參數見表1(mb為巖石塊體的Hoek-Brown常數;s,a為巖體特性常數)。

表1 材料力學參數

假設鉆進過程中，某一時間點，鉆孔孔壁與護孔鉆桿接觸面之間的應力為0.2 MPa，建立護孔面積比Sk分別為1/4，1/2，3/4，1的4種模型。圖11為不同護孔面積比鉆孔計算模型。

圖11 鉆孔計算模型

3.2 結果分析

以鉆孔孔壁為觀測線，提取數值計算數據，圖12為變形量與鉆孔孔壁觀測線長度關系圖，圖13為最大主應力與鉆孔孔壁觀測線長度關系圖。由圖12可以看出，鉆孔護孔區(qū)之間的空隙形成“卸壓區(qū)”，“卸壓區(qū)”鉆孔壁具有較大的變形量，能夠有效釋放煤體膨脹應力。如圖13所示，鉆孔護孔區(qū)短期會產生應力升高現象，受地應力、瓦斯壓力等因素影響，鉆孔流變效應顯現，伴隨煤體膨脹變形并沿“卸壓區(qū)”進入鉆桿排渣空間，旋轉的鉆桿會不斷切除膨脹的煤體，能夠有效降低軟煤鉆孔膨脹變形對鉆桿產生的摩擦阻力;此外，護孔面積比Sk越小，鉆孔的卸壓效果越好，但會有更多的煤渣進入護孔鉆具的排渣空間，造成排渣通道堵塞，因此，在進行“護孔卸壓”原理鉆具的結構設計時，應結合施工地點的煤巖力學參數，合理設計護孔面積比Sk。

圖12 變形量與鉆孔孔壁觀測線長度關系

圖13 最大主應力與鉆孔孔壁觀測線長度關系

4 基于“護孔卸壓”原理鉆具造型

“護孔卸壓”原理的提出，為護孔鉆具結構創(chuàng)新提供了新的思路。螺旋護孔鉆桿結構模型如圖14所示，通過設計薄而寬的螺旋護孔葉片、窄而高的支撐螺旋葉片，將支撐螺旋葉片焊接在圓鉆桿表面，將螺旋護孔葉片焊接在支撐螺旋葉片上形成螺旋護孔鉆桿模型[22]。軟煤層鉆孔收縮對鉆桿產生的圍壓pi作用于螺旋護孔葉片上;通過調整螺旋護孔葉片L1，L2的寬度，控制護孔面積比Sk的大小，調節(jié)螺旋護孔鉆桿表面的卸壓區(qū)間范圍，基于式(14)，該結構螺旋護孔鉆桿的護孔面積比Sk=L1/(L1+L2)。新型螺旋護孔鉆桿模型相比常規(guī)套管式護孔鉆桿，具有以下幾點優(yōu)勢:在鉆進過程中，能夠充分發(fā)揮螺旋護孔葉片與桿體之間螺旋幅的機械排渣作用，將護孔功能與鉆進排渣融為一體，有利于提高排渣效率;在螺旋護孔葉片與桿體之間螺旋葉片上開設通氣孔，能夠發(fā)揮流體動力的排渣效果，從而進一步提升該鉆桿的排渣效果;螺旋護孔葉片L2的設計，使螺旋護孔鉆桿具備卸壓功能，可有效降低因鉆孔收縮對鉆桿形成的鉆進阻力。

圖14 螺旋護孔鉆桿結構模型

圖15 多孔護孔鉆桿模型

多孔護孔鉆桿模型如圖15所示，通過在套管鉆具外鉆桿體上設計孔結構，形成另一種新型的“護孔卸壓”原理護孔鉆具，根據其結構特征，稱之為多孔結構護孔鉆桿模型[23]。外鉆桿體上孔結構的平均面積為S0，長度為L，可通過調節(jié)孔面積S0的大小及數量控制護孔面積比Sk的大小，根據式(14)，該結構螺旋護孔鉆桿的護孔面積比Sk=(πDL-nS0)/(πDL)。在易收縮、破碎的軟煤巖鉆進過程中，當孔外鉆桿體被包裹時，鉆桿表面的多孔特征，使孔壁少量煤渣沿鉆桿表面小孔進入外鉆桿體與內管之間的排渣通道，能夠有效釋放桿體與煤渣之間形成的應力，降低鉆桿旋轉的切向摩擦力。此外，氣體動力排渣時，氣流沿鉆桿表面的多孔內外穿梭，使鉆桿表面的鉆屑顆粒與氣流形成強紊流狀態(tài)，鉆屑顆粒處于松散運動狀態(tài)中，有利于預防鉆屑堆積造成的排渣通道堵塞現象，同時鉆屑顆粒與氣流形成強紊流狀態(tài)，有利于鉆桿表面散熱，可輔助預防鉆桿表面高溫形成的鉆孔瓦斯燃燒、CO中毒及鉆桿燒斷等鉆孔事故。

5 結 論

(1)建立套管鉆具鉆進阻力力學模型，對常規(guī)套管鉆具旋轉阻力矩TA、軸向鉆進阻力daf進行分析。得出了鉆孔深度l、鉆孔孔壁圍壓pi對旋轉阻力矩TA的影響規(guī)律;鉆孔長度l對軸向鉆進阻力daf的影響規(guī)律。明晰了常規(guī)套管鉆具應用于軟弱煤巖層鉆進困難的原因，即在較短的鉆孔深度范圍內，套管鉆具所受的旋轉阻力矩TA和軸向鉆進阻力daf超過了鉆機的額定扭矩及提拔力，致使鉆孔施工困難。

(2)提出“護孔卸壓”鉆進新觀點，分析了“護孔卸壓”鉆進工藝方法實現卸壓、降阻的力學機制，為“護孔卸壓”原理護孔鉆桿結構設計奠定了理論基礎。提出采用護孔面積比Sk衡量鉆桿表面孔隙留設面積大小，并建立“護孔卸壓”原理鉆桿鉆進阻力力學模型，對其旋轉阻力矩TAS、軸向鉆進阻力dafS進行分析。得出了伴隨護孔面積比Sk減小，“護孔卸壓”原理鉆桿能夠有效降低旋轉阻力和軸向鉆進阻力，其鉆進阻力降低幅度可達50%以上。

(3)建立了不同護孔面積比的鉆孔護孔數值模型，驗證了鉆桿表面孔隙結構形成的“卸壓區(qū)”能夠有效釋放煤體膨脹應力，從而降低鉆桿旋轉的摩擦阻力，在實際應用中，結合施工地點的煤巖力學參數，合理確定護孔面積比Sk是護孔卸壓鉆具結構優(yōu)化設計的關鍵。基于“護孔卸壓”原理，構建了螺旋護孔鉆桿模型和多孔結構護孔鉆桿模型，為“護孔卸壓”原理護孔鉆具的設計及應用提供參考。